Effiziente EINLEITUNG EINLEITUNG sind Fabriken, in denen elektrischer Strom produziert wird. Meistens arbeiten sie mit der Wärme aus der Verbrennung fossiler Energieträger. Weltweit laufen Tausende Tag und Nacht durch. Jede technische Verbesserung spart in der Summe große Mengen wertvoller Energierohstoffe ein und entlastet die Umwelt. Strom wird in Deutschland zu etwa 60% in n erzeugt, die mit Braunkohle, Steinkohle, Erdgas oder Erdöl also mit fossilen Energieträgern (im Folgenden vereinfacht fossile genannt) betrieben werden. Diese fossilen werden u. a. wegen des vereinbarten Ausstiegs aus der Kernenergie auch in den kommenden Jahrzehnten eine zentrale Stellung bei der Stromversorgung einnehmen. In dieser Zeit wird der Anteil des Stroms aus erneuerbaren Energien und aus dezentralen, kleinen n (z. B. Blockheizkraftwerken, Brennstoffzellen) weiter rapide wachsen und der Verbrauch wird infolge einer breiten Anwendung stromsparender Geräte gesenkt werden können. Trotzdem wird mittelfristig eine stabile Stromversorgung nur im Verbund von fossilen Groß-n mit erneuerbaren Energien und dezentralen Kleinanlagen möglich sein. In diesem Info stehen die Technik dieser fossilen Groß- und deren zukünftige Perspektiven im Mittelpunkt. Über die Stromerzeugung in Kraft-Wärme-Kopplung wird ein eigenes Info folgen. sind eine Schlüsselkomponente unseres Energieversorgungssystems. Jede Steigerung der Effizienz führt zu großen Einsparungen beim Primärenergie-Verbrauch und den Schadstoff- Emissionen. Der durchschnittliche elektrische Wirkungsgrad fossiler liegt weltweit bei ca. 30%, d. h. von 100% eingesetzter Primärenergie werden 30% in Strom umgewandelt und 70% gehen im Prozess oder als Abwärme verloren. Ein um einen Prozentpunkt angehobener Wirkungsgrad spart pro Jahr bei einem üblichen Steinkohlekraftwerk ca. 16.000 t Kohle und reduziert die Abb. 1 Beispiel für eine hocheffiziente Gasturbine mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 38,6% [Quelle: Siemens]. Eine derartige Turbine wird im Mainz-Wiesbaden in Kombination mit einer nachgeschalteten (GuD-) eingesetzt. Der dabei erzielte elektrische Gesamtwirkungsgrad beträgt 58%. CO 2 -Emissionen um 43.000 t. Deutsche erreichen im Mittel derzeit ca. 38% Wirkungsgrad. Im letzten Jahrzehnt ans Netz gegangene neue Kohlekraftwerke liegen bereits zwischen 40-45%. In der Forschung werden bereits Konzepte und Materialien für entwickelt, die nach 2010 zum Einsatz kommen werden. Kohlekraftwerke sollen 50-55% Wirkungsgrad erreichen und GuD- mit dem Brennstoff Erdgas etwa 65%. Erdgaskraftwerke haben in den letzten Jahren mit 58% Wirkungsgrad bereits einen hohen technischen Standard erreicht. Schwerpunkt der aktuellen Forschungsarbeiten sind effiziente Kohlekraftwerke mit möglichst geringen CO 2 - Emissionen. Kohle ist der weltweit am häufigsten verwendete fossile Energieträger bei der Stromerzeugung. Daher ist es ein Ziel der Forschung, Kohlekraftwerke mit einer vergleichbaren Effizienz wie Erdgaskraftwerke zu entwickeln. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) fördert die Grundlagenforschung und die Entwicklung innovativer stechnik für die fossilen Energieträger Erdgas und Kohle.
PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Heißes Reservoir (Wasserdampf) [Temperatur T 2 ] (540-580 C)] Nukleare Wärme-Kraft-Prinzip "fossile" Gas- und Geothermische Stirling Solarthermische Wind- mechanische Wasser- elektrochemisch/ photoelektrisch (direkte Stromerzeugung ohne Generator) Photovoltaik Brennstoffzelle Wärme Q 2 (mit Generator) Wärme Q 1 Kraft (Strom) Abb. 2 Dampferzeuger Speisewasserpumpe Übersicht über ausgewählte Prinzipien zur Stromerzeugung. (In der Darstellung nicht enthalten: Solare Aufwindkraftwerke und Meeresströmungskraftwerke ) Einen Überblick über die verschiedenen sverfahren bietet Abb. 2. Fossile sind Wärmekraftmaschinen. In einem thermodynamischen Kreisprozess wird durch Verbrennung chemische Energie (Kohle, Erdgas) in Wärme (z. B. heißer Dampf unter hohem Druck) und Abgase überführt. Die in diesem Dampf oder im Verbrennungsgas enthaltene Energie treibt eine oder mehrere Turbinen und die daran angeschlossenen Generatoren an. Hier ent- Wirkungsgrad in % 70 60 50 40 30 20 10 Abb. 5 0 0,00 540-580 C* 240-274 bar* M BZ-Heizgerät Gasversorgung Kondensator (Rückkühlung) 0,065-0,03 bar* G Generator Abb. 3 Prinzip des thermodynamischen Kreisprozesses in einem mit (Hochdruckprozess). * = Die Bestwerte entsprechen dem modernen Braunkohlekraftwerk Niederaußem. BHKW mit HT-BZ Motor-BHKW Elektrische Leistung in MW steht dann zuletzt elektrischer Strom. Physikalisch vereinfacht beschrieben ist der sprozess in einem fossilen (Abb. 3) eine Anwendung von Erkenntnissen aus der Wärmelehre ( Thermodynamik/ Clausius-Rankine-Prozess), der Gasgesetze und der Strömungsmechanik. Auch im sprozess gilt: Bei der Umwandlung von einer Energieform in eine andere geht keine Energie verloren ( 1. Hauptsatz der Thermodynamik), aber Primärenergie lässt sich nicht vollständig in Kraft (Strom) umwandeln ( 2. Hauptsatz der Thermodynamik). Der Teil, der sich in Kraft umwandeln lässt, wird physikalisch Exergie genannt, der nicht-umwandelbare Teil Anergie. Im sprozess sind für die Steigerung der Exergie Temperatur und Druck wichtige Größen. Bei der Umwandlung von Wärme in Kraft benötigt man je ein Reservoir mit hoher Temperatur und eins mit niedriger Temperatur (Abb. 4). Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto effizienter läuft der Prozess ab. In der stechnik bemüht man sich daher um eine Anhebung der oberen mit Kreisprozess ohne Kreisprozess HAT Heizkraftwerk GuD Gasturbine BHKW mit HT-BZ Blockheizkraftwerk mit Hochtemperatur-Brennstoffzelle BZ-Heizgerät Brennstoffzellen-Heizgerät Motor-BHKW Blockheizkraftwerk mit Verbrennungsmotor HAT Humid Air Turbine: Feuchtluft- oder Verdunstungs-Gasturbinenprozess GuD Kombinierter Gas- und n-prozess DKW Dampfkraftwerk Groß-KW Großkraftwerk DKW Groß- KW 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00 Wirkungsgrade verschiedener sprozesse [Quelle: FhG-ISI] Abb. 4 Kaltes Reservoir (Kühlwasser) [Temperatur T 1 ] (10-20 C)] Die Temperaturdifferenz im sprozess Temperatur, da die untere Temperatur (z. B. Flusswasser) kaum zu verändern ist. Der französische Physiker Carnot hat für ideale Wärmekraftmaschinen den theoretisch möglichen, maximalen Wirkungsgrad nach folgender Formel berechnet (Abb. 5): T 1 η = (1 - ) 100% T 2 Ziel ist, sich in der Praxis dem idealen Wirkungsgrad immer weiter anzunähern. Die Erhöhung des Drucks im Wasser-/Dampfkreislauf ist ein weiterer Ansatz für effizientere. Genutzt werden hier die physikalischen Eigenschaften von Gasen. Der Zustand eines Gases wird durch die Größen Temperatur, Druck und Volumen bestimmt. Beispielsweise kann man die Temperatur eines weitgehend wärme-isolierten Gases durch Druckerhöhung anheben, ohne weitere Wärme zuzuführen. Physikalisch heißt dieser Vorgang adiabate Erwärmung; im Alltag z. B. an einer Luftpumpe zu beobachten. Im sprozess ist es etwas komplizierter: Das kalte Speisewasser wird adiabat auf einen Druck von 220-274 bar komprimiert und anschließend in einem mehrstufigen Prozess auf eine Temperatur von 540-580 C erwärmt. Oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes (374 C Temperatur/220 bar Druck ) wird er zum überkritischen Wasserdampf, d. h. es kann nicht mehr zwischen Gas und Flüssigkeit unterschieden werden. Unter diesen Druckund Temperaturverhältnissen erhöht sich der Wirkungsgrad der Turbine. Der Wasserdampf entspannt über die Turbine, die er antreibt, und kühlt sich dabei ab. Die Nutzung der Wärmerückgewinnung auf allen Temperaturstufen und der Zwischenüberhitzung verbessert den Prozesswirkungsgrad weiter. --> Thermodynamischer Kreisprozess --> Wirkungsgrad --> Dampfkraftprozess 2 BINE basisenergie
SO FUNKTIONIERT EIN KRAFTWERK - SO FUNKTIONIERT EIN KRAFTWERK BEISPIEL SCHKOPAU Versorgung: 1 Kohlebunker 2 Kohlemühle 3 Luftzufuhr 4 Luftvorwärmer 5 Wasser 6 Kalksteinmehl Prozess: 7 Speisewasser 8 Wasserdampf 9 Turbinen 10 Generator 11 Transformatoren 12 Prozessdampf 13 Kondensator 14 Speisewasserbehälter 15 Kesselspeisepumpe 16 Kühlwasser 17 Kühlturm Entsorgung: 18 Grobasche 19 Entstaubung: Elektrofilter 20 Filterasche 21 Entschwefelung: SO 2 -Wäscher 22 Gipsentwässerung 23 Gips für die Industrie 24 Wiederaufheizung 25 Kamin Wasser-Dampf-Kreislauf Kühlwasserkreislauf Rauchgase Abb. 9 Funktionsschema eines Blocks (von insgesamt zwei) des Braunkohlekraftwerks Schkopau [Quelle: E.ON AG] Ein besteht aus mehreren Abteilungen : Der Versorgungseinheit, der Verbrennungseinheit, dem Dampfkreislauf, der Stromerzeugung und der Entsorgung der Abfallstoffe. Am Beispiel des Braunkohlekraftwerkes Schkopau, das 1999 errichtet wurde, über einen Wirkungsgrad von 40% und zwei Blöcke von je 503 MW verfügt, sollen die Abläufe in einem prinzipiell dargestellt werden. Die getrocknete und gemahlene Kohle (Abb. 9 [1,2]) wird mit Druck in den Feuerraum eingeblasen. Dort verbrennt sie mit maximal 1.150 C und die dabei entstehende Wärme erhitzt das im geschlossenen Kreislauf befindliche, entsalzene Kesselspeisewasser (Abb. 9 [7]). In einem mehrstufigen Prozess wird dieser Dampf im Dampferzeuger erhitzt und dann auf die n geleitet, die einen Stromgenerator antreiben (Abb. 9 [8, 9,10]). Über einen Transformator (Abb. 9 [11]) wird der Strom mit der gewünschten Spannung ins Netz geleitet. Nach dem Durchströmen der Turbine kann der Dampf als Prozessdampf für Industrieunternehmen abgezweigt werden (Abb. 9 [12]). Andernfalls wird er im Kondensator (Abb. 9 [13]) wieder verflüssigt und dem Speisewasserbehälter zugeführt (Abb. 9 [14]). Die nicht mehr nutzbare Wärme wird über den Kühlturm abgeleitet (Abb. 9 [17]). Die Rauchgase der Verbrennung werden gereinigt (Abb. 9 [18-22]) und die Reststoffe nach Möglichkeit (Abb. 9 [23]) verwertet. Das Schkopau verfügt über ein Filtersystem für Staub und eine Rauchgaswäsche für Schwefeldioxid. VOM KRAFTWERK ZUM STROMNETZ VOM KRAFTWERK ZUM STROMNETZ Elektrischer Strom lässt sich großtechnisch nur schwer speichern. Er muss in dem Moment erzeugt werden, in dem er von Verbrauchern nachgefragt wird. Diese Nachfrage weist erhebliche tages- und jahreszeitliche Schwankungen auf. Deswegen werden im Stromnetz verschieden spezialisierte vorgehalten (Abb. 10,11). Grundlastkraftwerke benötigen für Leistungsänderungen vergleichsweise viel Zeit (reaktionsträger). Man braucht im Netz auch schneller reagierende, bei denen die Reaktionszeit unter Umständen wichtiger sein kann als die energetische Effizienz. Diese verschiedenen stypen werden durch ein sehr differenziertes Netzmanagement aller Betreiber koordiniert. Die nationalen Stromnetze sind europaweit verbunden und können damit im Interesse einer hohen Netzstabilität bei den Verbrauchern auch komplette Ausfälle einzelner (z. B. Defekte, Wartung, Lieferengpässe bei einzelnen Energieträgern) ausgleichen. Laufzeit pro Jahr Stromerzeu- Technische Stärke, [in Stunden] gungskosten Hauptaufgabe Grundlastkraft- 6.000-7.000 Möglichst gering Lange Laufzeiten, Laufwasser, werke (ca. 50% effizienter Dauerbetrieb Braunkohle, der Jahres- Kernenergie höchstlast*) Mittellast- 3.000-5.000 Mittlerer Preis Ausgleich der normalen Steinkohle, kraftwerke Nachfrageschwankungen, Erdöl, flexibel für An- und Erdgas Abschaltprozesse Spitzenlast- Teilweise unter 1.000 hoher Preis Können in kürzester Zeit Pumpspeicherkraftwerke (geringe und ggf. mehrmals am Tag kraftwerke; Bedeutung) an- und abgeschaltet werden. Gasturbinen Abb. 10 Leistung Höchsleistung 0h 2h 4h 6h 8h 10h 12h 14h 16h 18h 20h 22h 24h Uhrzeit Abb. 11 für unterschiedliche Nachfragesituationen (* Jahreshöchstlast = Der Tag des Jahres mit der höchsten Stromnachfrage; bei uns meist im Januar) Tagesprofil der Stromnachfrage an einem Werktag. Lastspitzen fallen meist am Vormittag (ca. 8-10 Uhr) und am Nachmittag (16-18 Uhr) an. BINE basisenergie 4
STROM ERZEUGUNG UND VERBRAUCH STROM ERZEUGUNG UND VERBRAUCH Windkraft 2,9% Wasserkraft 4,5% Steinkohlen 23,2% 590 530 35,5 GW 51,1 GW Kernenergie 28,4% 21,4 GW 2,4 GW 100 16 1-10 MW 10-300 MW 300-1.000 MW über 1.000 MW übrige Brennstoffe 3,3% Abb. 6 Erdgas 9,3% Mineralöl 1,0% Braunkohlen 27,4% Bruttostromerzeugung nach Energieträgern (Stand 2002) Anzahl der Leistung Abb. 7 Strukturdaten der öffentlichen in Deutschland im Jahr 2002 [Daten nach:vdew Stromdaten 2002]. Die meisten mit >1.000 MW sind Kernkraftwerke. Kohle- und Gaskraftwerke liegen meist im Bereich von 300-1.000 MW. In einer Industrie- und Informationsgesellschaft ist Strom der elementarste und vielseitigste Energieträger. Bei einem totalen Stromausfall in einer Stadt bricht das öffentliche Leben sofort zusammen. Um die Stabilität eines nationalen Stromnetzes zuverlässig gewährleisten zu können, wird ein Mix verschiedener Energieträger in den n eingesetzt, um nicht von einem einzigen Energieträger komplett abhängig zu sein. Außerdem braucht ein Netz auch Leistungsreserven, um jederzeit und schnell auf wechselnde Nachfrage der Verbraucher reagieren zu können. Es ist in der energie- politischen Diskussion strittig, in welcher Höhe derartige Reserveleistungen erforderlich sind. Zur Stabilität trägt auch der Verbund der nationalen Stromnetze in Europa bei. Abb. 6 zeigt den Beitrag einzelner Energieträger zur Bruttostromerzeugung in Deutschland. Bruttostrom ist die hinter dem Generator gemessene elektrische Arbeit. Vermindert man diese noch um den Eigenstrombedarf der erhält man die Nettostromerzeugung. Ende 2001 haben die ca. 1.200 (Abb. 7) in Deutschland 570 Mrd. kwh Strom (brutto) erzeugt, davon ca. 90% in n der öffentlichen Versorgung, ca. 9% in industriellen Eigenanlagen und ca. 1% bei der Deutschen Bahn. Die insgesamt zur Verfügung stehende Bruttokapazität betrug Ende 2001 ca. 130.000 MW (inkl. 12.100 MW Windenergie). Der Nettostromverbrauch lag Ende 2001 bei ca. 503 Mrd. kwh. --> Energiemix --> Reserveleistung --> Stromerzeugung UMWELT- UND KLIMASCHUTZ UMWELT- UND KLIMASCHUTZ Fossile verbrauchen noch zu viele Energierohstoffe und ihre Emissionen belasten die Luft der Umgebung und das Weltklima (anthropogener Treibhauseffekt). Allerdings gibt es zwischen den n große Unterschiede, wie viele Emissionen pro erzeugter Kilowattstunde Strom anfallen. Die in Deutschland haben in den letzten 20 Jahren durch technische Maßnahmen (z. B. Entschwefelung und Entstickung der Rauchgase) und durch Inbetriebnahme effizienterer Neuanlagen ihre Umweltbilanz verbessert. Wie im nächsten Kapitel beschrieben wird, sind bei der Effizienz künftig noch weitere, große Fortschritte möglich. Damit ist das Problem des anthropogenen Treibhauseffektes noch nicht gelöst, aber ein wichtiges Etappenziel ist erreichbar. Im Vergleich zu 1990 (1990 = 100%) emittierten die in Deutschland im Jahr 2001 nur noch ca. 67% des Kohlenmonoxids, 47% der Stickoxide, 12% des Schwefeldioxids und 6% des Staubs. Dieses ist ein großer Erfolg für die Luftreinhaltung. Beim Treibhausgas CO 2 gingen die Emissionen aus den n im selben Zeitraum um 16% zurück (Abb. 8). Aber immer Abb. 8 Entwicklung der CO 2 -Emissionen (alle Angaben in Mio. t.) in Deutschland nach Emittentengruppen [BMWA, UBA] noch entfallen auf den sbereich 40% aller CO 2 -Emissionen Deutschlands. Die anstehenden smodernisierungen bieten die Chance, diese CO 2 -Emissionen aus der Stromproduktion weiter zu verringern. Eine Option für die Zukunft sind neue Erdgaskraftwerke mit GuD-Prozess (s. u.). Der Energieträger Erdgas hat unter den fossilen Energieträgern die niedrigsten CO 2 -Emissionen pro kwh. Auch effiziente Kohlekraftwerke mit geringem oder keinem CO 2 - Ausstoß können das Klima entlasten. In 1990 1993 1996 1999 2001 Industrieprozesse 28 25 25 26 26 Straßenverkehr 150 164 165 175 167 übriger Verkehr 22 18 13 13 13 Haushalte 128 134 142 119 131 Kleinverbrauch 76 62 74 58 56 Industriefeuerungen 213 158 151 138 135 Kraft- und Fernheizwerke 397 356 352 327 343 Summe 1.014 918 921 855 871 vielen Ländern arbeiten Forscher an derartigen Konzepten. Einerseits ist Kohle der fossile Energieträger mit den höchsten spezifischen CO 2 -Emissionen, verfügt aber andererseits weltweit über die größten Vorkommen aller fossilen Energieträger und den höchsten Anteil bei der Weltstromerzeugung. --> Emissionen pro Kilowattstunde --> Luftreinhaltung --> CO 2 -armes BINE basisenergie 3
FORSCHUNGEN AM KRAFTWERK DER ZUKUNFT FORSCHUNGEN AM KRAFTWERK DER ZUKUNFT Anteil an Gesamtleistung in % 25 20 15 10 5 0 Abb. 12 bis 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 salter in Jahresklassen Altersstruktur des sbestandes in Deutschland im Jahr 2002. 50% der Anlagen sind älter als 25 Jahre [Quelle: Prof. Wagner, Prof Brückl - TU München] Die Altersstruktur der deutschen zeigt Abb.12. Zentrale Ansatzpunkte für eine effizientere stechnik in Zukunft sind die Erhöhung von Temperatur und Druck im Dampfkreislauf, Verbesserungen des Verbrennungsvorgangs, Fortschritte in der Turbinentechnik, Entwicklung hochtemperaturbeständiger Werkstoffe, die Nutzung der vorhandenen Abwärme zur Speisewasservorwärmung und die Kombination der mit einer Gasturbine. Abb. 13 zeigt am Beispiel des neuen s Niederaußem, das 2002 als Braunkohlekraftwerk mit optimierter Anlagentechnik ans Netz gegangen ist, in welchem Umfang einzelne Maßnahmen im Vergleich zum alten Braunkohlekraftwerk Neurath zum höheren Wirkungsgrad beitragen. Die Stromausbeute eines s kann durch die Kombination einer mit einer Gasturbine meist GuD-Kombikraftwerk genannt beträchtlich gesteigert werden. Abb. 15 stellt beide Turbinen vor. Im werden sie hintereinander geschaltet. Da Gasturbinen im Temperaturbereich von etwa 1.200 C arbeiten, steht anschließend noch genügend Abwärme für den Dampfprozess der zur Verfügung. Seit Jahren wird der GuD- Prozess bei Erdgas- und Erdölkraftwerken erfolgreich eingesetzt. Hier wird bereits ein Gesamtwirkungsgrad von bis zu 58% erreicht. Die Energieforschung arbeitet an GuD-Konzepten für Kohle. Für die Zukunft sind für GuD- ehrgeizige Ziele gesteckt: 55% bei Kohle und 65% bei Erdgas. Verwendet man bei einem derartigen noch zusätzlich die Wärme für eine Fernwärmeversorgung, dann wird die eingesetzte Primärenergie zu mehr als 90% genutzt. Erdgaskraftwerke mit GuD-Prozess sind bereits auf einem hohen technischen Stand. Ziel der Energieforschung ist es, zukünftig auch Kohlekraftwerke auf einen vergleichbaren Standard zu bringen. In den letzten 20 Jahren wurden bestehende Kohlekraftwerke bereits erfolgreich modernisiert: Pro Kilowattstunde Strom in Steinkohlekraftwerken sanken der durchschnittliche Kohleverbrauch von 330g auf 260g (Prognose 2010: 220g) und die CO 2 - Emissionen von 870g auf 705g (Prognose 2010: 600g). Zur weiteren Effizienzsteigerung von Kohlekraftwerken werden drei verschiedene Konzepte verfolgt: Die Kohlewirbelschichtfeuerung, die Kohledruckfeuerung und die Kohlevergasung. Abb. 14 gibt einen Überblick über die Verfahren. Gemeinsames Ziel aller Verfahren ist, auch bei Kohle den Trocken- braunkohle- Staubfeuerung optimiertes konv. DKSF Netto-Wirkungsgrad (%) 46 42 38 34 Verbrennung +2,3 % 35,5 % Stand: 600 MW Neurath E Abb. 13 Wirbelschichtfeuerung stationäre DWSF Prozessoptimierung +1,6 % Dampfzustände +1,6 GuD-Prozess anzuwenden, Materialien für n mit höherem Druck und Temperaturen zu entwickeln, den Schadstoffausstoß möglichst bereits durch eine optimierte Verbrennung bzw. Vergasung zu reduzieren (z. B. durch Braunkohlevortrocknung) und für nicht vermeidbare Abgase die Rückhaltesysteme zur Rauchgasreinigung weiter zu verbessern. Im Jahr 2003 startete in der deutschen sforschung das mehrjährige Forschungsprogramm COORETEC. Leitbild des Programms ist ein CO 2 -emissionsarmes (Emissionen kleiner als 0,1 kg CO 2 /kwh) mit integrierter CO 2 Rückhaltung und Erschließung geeigneter Entsorgungspfade. Langfristiges Ziel ist das CO 2 -freie. zirkulierende DWSF Kondensatordruck +1,4 % Eigenbedarf +1,5 % Vergasungs- kohle- Abgaswärme +2,3 % 45,2 % Vergasung Brennstoff- zellen- Abb. 14 Entwicklungslinien der Kohlebefeuerten [Quelle: Schäfer 1999] DKSF= Druckkohlenstaubfeuerung. Kohlenstaub wird unter einem Druck von 20 bar in den Verbrennungsraum eingeleitet. DWSF= Druckwirbelschicht. Kohlenstaub wird verwirbelt, und verbrannt. Braunkohle 1000 MW Niederaußem K Wirkungsgradsteigerung durch das optimierte Anlagenkonzept im neuen Braunkohlekraftwerk in Niederaußem [Quelle: Kallmeyer] n entziehen die kinetische Energie dem heißen Dampf. Sie sind integriert in den geschlossenen Speisewasserkreislauf und arbeiten unabhängig vom eingesetzten Brennstoff, da sie mit ihm nicht in Kontakt kommen. n arbeiten in einem Temperaturbereich von 500-650 C und haben wegen der adiabaten Erwärmung ein wärmeisoliertes Gehäuse. In n werden mehrere n hintereinander angeordnet, die jeweils auf Hochdruck-, Mitteldruck- oder Niederdruckdampf ausgelegt sind. Gasturbinen entziehen die kinetische Energie den heißen Verbrennungsabgasen. Sie sind weitaus höheren Temperaturen (Temperaturmaxima: ca. 1.200-1.500 C) ausgesetzt als n. Daher werden sie bisher, um einen schnellen Materialverschleiß zu vermeiden, mit einem Schutzfilm aus eingeleiteter Luft gekühlt. Wichtiges Forschungsgebiet sind Gasturbinen für Kohlekraftwerke. Hier müssen die heißen Rauchgase von Staubpartikeln und alkalischen Bestandteilen gereinigt werden, um die Turbinen über eine lange Zeit betreiben zu können. Abb. 15 Gegenüberstellung wichtiger Eigenschaften von Gas- und n BINE basisenergie 5
AUSBLICK AUSBLICK TWh 32000 28000 24000 20000 15.700 16000 Wasser und sonstige Energien 12000 8000 4000 0 Abb. 16 8.300 1980 2001 Kernenergie Gas Öl 20.000 2010 Deutschland verbraucht etwa 3,7% der Weltjahresstromerzeugung. In den letzten Jahren ist der deutsche Stromverbrauch nur wenig gestiegen, da der Zuwachs des Bruttosozialprodukts weitgehend abgekoppelt ist vom steigenden Energieverbrauch. Weltweit steigt jedoch der Stromverbrauch stetig. Bereits von 1990-1999 verzeichneten asiatische Schwellenländer, wie China, Indien und Südkorea, eine Zunahme des nationalen Stromverbrauchs um 80% bis 150%. Auch für die nächsten Jahre geht die Internationale Energieagentur von einem starken Anstieg des Weltstrombedarfs aus (Abb. 16). Durch effiziente könnten rechnerisch bis zu 7,5% der weltweiten, anthropogenen CO 2 -Emissionen vermieden werden. Für die Zukunft der Stromversorgung sind drei Entwicklungslinien wichtig: Die technischen Möglichkeiten zum Stromsparen in der Produktion und in 25.600 2020 31.500 Kohle 38% 38% 36% 36% 37% 2030 Prognose für den Weltstrombedarf bis 2020. Eine TWh sind 1 Milliarde kwh. [IEA, World Energy outlook 2002] Privathaushalten sollten konsequenter genutzt werden. Ein weiter wachsender Teil der Stromversorgung wird durch den Verbund erneuerbarer Energien mit dezentralen Kleinanlagen übernommen werden. Ein großer Teil wird bis 2020 auf neue fossile entfallen. Bereits heute einsetzbar sind Gaskraftwerke mit GuD- Prozess und optimierte Kohlekraftwerke mit Dampfprozess. Große Entwicklungsmöglichkeiten existieren bei der Kohle durch Nutzung des GuD-Prozesses, der Kohlevergasung, der Kombination Kohlekraftwerk- Brennstoffzellen und der CO 2 -Abtrennung. Im Bereich sind die klassischen Ziele der Energiepolitik Wirtschaftlichkeit, Versorgungssicherheit, Umweltschutz teilweise sehr gegensätzlich. Für die Zukunft gesucht ist ein ausbalancierter Mittelweg zwischen diesen Zielen. IMPRESSUM Herausgeber FIZ Karlsruhe GmbH 76344 Eggenstein-Leopoldshafen Autor Uwe Milles ISSN 1438 3802 Nachdruck Nachdruck des Textes zulässig bei vollständiger Quellenangabe und gegen Zusendung eines Belegexemplares Nachdruck der Abbildungen nur mit Zustimmung der jeweils Berechtigten. Stand Mai 2004 BINE Informationsdienst Kompetenz in Energie BINE informiert zu Energieeffizienztechnologien und erneuerbaren Energien: In kostenfreien Broschüren, unter www.bine.info und per Newsletter zeigt BINE, wie sich gute Forschungsideen in der Praxis bewähren. BINE ist ein vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderter Informationsdienst von FIZ Karlsruhe. ERGÄNZENDE INFORMATIONEN ERGÄNZENDE INFORMATIONEN 1. Beim BINE-Informationsdienst sind zum Thema erschienen: Kohlendioxid abtrennen und lagern. 2007. BINE Projektinfo. 10/07 mit Kohlenverbrennung. 2007. BINE Projektinfo. 6/07 mit Kohlenvergasung. 2006. BINE Projektinfo. 9/06 2. Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, Berlin (Hrsg.): Forschungs- und Entwicklungskonzept für emissionsarme fossil befeuerte. Bericht der COORETEC-Arbeitsgruppen. 2003. Dokumentation Nr. 527. ISSN 0342-9288. Download unter: www.cooretec.de 3. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Berlin (Hrsg.): Leuchtturm COORETEC. Der Weg zum zukunftsfähigen mit fossilen Brennstoffen. Juni 2007. Forschungsbericht Nr. 566. Download unter: www.cooretec.de 4. Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Berlin (Hrsg.): Turbomaschinen. Wie große Energiemengen auf kleinstem Raum umgewandelt werden. Dez. 2006. Download unter: www.bmwi.de Kontakt Fragen zu diesem basisenergieinfo? Wir helfen Ihnen weiter: Tel.: 0228 92379-44 FIZ Karlsruhe GmbH, Büro Bonn Kaiserstraße 185 197 53113 Bonn Tel.: 0228 92379-0 Fax: 0228 92379-29 E-Mail: bine@fiz-karlsruhe.de Internet: www.bine.info KERSTIN CONRADI Mediengestaltung, Berlin 6 BINE basisenergie